双柱式矮墩系梁对桥梁抗震性能的影响

柏小勇 杨加发 朱家荣

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550023)

西南地区多位于高烈度区，具有山高谷深、地形地貌复杂等特点，为了降低施工难度和节约工程造价，设计中采用大量的装配式T梁。为了适应剧烈变化的地形条件，装配式T梁桥的下部结构通常采用双柱式桥墩。对于双柱式高墩桥梁，为提高结构的稳定性，一般会在2根墩柱间设计墩系梁。

然而，目前关于墩系梁的设计研究相对较少。燕斌等[1]对1座VIII度区墩高30 m的3×40 m T梁桥进行抗震分析，建议墩系梁设置在墩柱中心偏下的位置，且建议采用较小抗弯刚度的系梁；陈阳清[2]针对1联3×35 m预应力混凝土箱梁进行研究，建议墩系梁刚度和桥墩刚度比在0.4～0.6范围内较为合理；兰峰等[3]针对某联5×30 m连续T梁进行研究，建议在墩高0.3～0.8之间设置1道相对于墩身刚度0.3～0.6的横系梁，因此，针对西南地震区双柱式矮墩装配式连续T梁桥的系梁设计值得进一步探讨研究。

本文选取西部山区双柱式矮墩装配式T梁桥，变化桥墩系梁位置及其结构尺寸，进行非线性时程分析，以提高桥梁的抗震性能为目标，对墩系梁合理设计进行探讨研究，以期为西南地震区装配式T梁桥抗震设计提供参考。

1 工程背景

西部地区由于地形起伏剧烈，桥梁高低墩现象非常普遍，但从研究规律的角度出发，本次研究对象为等墩高的双柱式矮墩装配式T梁桥。

本文选取的装配式T梁桥跨径布置为3×30 m +3×30 m+3×30 m，两侧一联桥梁作为边界联。装配式T梁桥由5片T梁组成，桥面总宽12.25 m，梁高2 m。双柱式墩高15 m、墩径1.8 m，桩径2.0 m，设置1道墩系梁和1道地系梁，系梁截面尺寸高×宽为1.5 m×1.2 m，主梁的跨中、支点标准断面和下部构造见图1、图2。每联的过渡墩采用四氟滑板支座，第一个连续墩采用1个横桥向单向固定盆式支座和4个双向活动盆式支座，第二个连续墩采用1个固定盆式支座和4个横桥向单向活动盆式支座。

图1 跨中、支点断面

图2 桥墩构造图

2 地震动参数

依据JTG/T B02-01-2008 《公路桥梁抗震设计细则》[4]，确定本桥梁的设防类别为B类，设防烈度为7度，水平向设计基本加速度峰值为0.15g，地处II类场地，场地系数为1.0，阻尼调整系数1.0，特征周期为0.35 s，参照文献[4]选取参数拟合E1设防水准的规范反应谱，拟合并合理选取7条非线性时程波，其中2条时程波见图3。

图3 非线性时程波

3 模型建立

采用有限元软件SAP2000进行建模分析[5-7]。主梁、桥墩、盖梁、系梁、桩均采用空间弹性梁单元模拟，桩基础在3倍桩径处嵌固模拟桩-土相互作用，支座均按规范采用三维弹簧单元进行模拟。三维空间有限元分析模型，见图4。

图4 三维空间有限元模型

4 动力特性对比

由于墩系梁仅对结构的横桥向抗震性能有影响，因此本文仅进行横桥向结构动力特性的讨论。其中，墩系梁高度H指墩系梁中心与墩底的距离，本次取H为0 m(工况1，不设墩系梁)、3 m(工况2)、6 m(工况3)、7.5 m(工况4)、9 m(工况5)、12 m(工况6)共6个工况进行对比。基于建立的三维空间动力模型，进行结构动力特性分析。各工况下结构的一阶横桥向对称振动和一阶横桥向反对称振动周期见表1。

表1 桥梁横桥向动力特性分析结果 s

由表1可见，设置墩系梁后，墩和墩系梁在横桥向形成一个框架，横桥向结构的刚度增大，结构横桥向典型振型周期均有减小；随着墩系梁设置高度的增加，结构横桥向典型振型周期表现出先减小后增大的规律；且当系梁设置在桥墩中心处时，结构横桥向典型振型周期最小，表明此时横桥向结构刚度最大，框架效应最为明显。

5 墩系梁位置设置研究

基于建立的空间动力模型和地震动输入，结构的响应值取7条时程波计算结果的平均值，经过E1非线性时程分析知：结构整体保持弹性状态，且连续墩的响应较大，本次以连续墩作为研究对象，以说明结构的响应规律。

图5、图6、图7展示了不同工况下墩底和墩顶的内力响应。

图5 墩底、墩顶轴力

图6 墩底、墩顶剪力

图7 墩底、墩顶弯矩

由图5，图6，图7可见，不设置墩系梁时，墩底和墩顶的轴力和剪力相对较小，弯矩值最大；随着墩系梁设置高度的增大，墩底轴力、墩底和墩顶剪力呈现出先增大后减小的规律，墩顶的轴力和墩底弯矩一直减小，墩顶弯矩表现为先减小后增大的规律；当墩系梁设置在桥墩中心位置处时，墩底和墩顶的弯矩值大小相近。

图8展示了不同工况下连续墩墩顶位移的响应。

图8 墩顶位移

由图8可见，设置墩系梁后，桥墩横桥向位移有所减小；随着墩系梁设置高度的增大，桥墩横桥向位移表现出先减小后增大的规律，且当墩系梁设置在桥墩中心处时，桥墩横桥向位移最小。这种规律的形成原因与结构自振周期的变化机理相同。

对于系梁的内力响应，见图9、图10。

图9 系梁剪力

图10 系梁弯矩

由图9、图10可见，随着墩系梁设置高度的增大，系梁的剪力和弯矩呈现出先增大后减小的趋势，且当墩系梁处于桥墩中心位置处时，系梁的剪力和弯矩值最大。出现这种规律的原因是：墩系梁将盖梁-墩柱-地系梁的框架结构一分为二，随着墩系梁的向上移动，系梁和下框架墩柱的刚度比逐渐增大，系梁和上框架墩柱的刚度比逐渐减小，当墩系梁处于桥墩中心位置处时，系梁和上下2个框架墩柱的刚度比达到最大。

经过上述分析知：当墩系梁处于桥墩中心位置处时，系梁的地震弯矩和剪力最大，墩顶的位移最小，墩顶和墩底的地震弯矩值大小相当，比不设置墩系梁时墩顶和墩底的地震弯矩值减小很多，且此时对墩柱配筋有利。总体而言，墩系梁设置在墩柱中部时，对于桥梁整体抗震有利。

6 墩系梁结构尺寸选择

由于墩系梁刚度影响桥梁结构的内力分配，基于上节分析结论，将墩系梁均设置于桥墩中部位置处，研究不同墩系梁的结构尺寸对桥梁抗震性能的影响。基于施工的方便性，墩系梁均为实心矩形截面，截面尺寸高×宽分别取为：1.2 m×1.2 m(工况1) 、1.5 m×1.0 m(工况2)、1.5 m×1.2 m(工况3)、1.5 m×1.5 m(工况4)，计算结果见图11、图12、图13。

图11 墩底、墩顶弯矩

图12 系梁弯矩

图13 墩顶位移

随着工况1～4系梁截面的抗弯刚度逐渐增大，由图11墩底、墩顶弯矩图知，墩顶弯矩变化较小，墩底弯矩逐渐增大。由图12系梁根部弯矩图知，系梁根部弯矩逐渐增大。由图13墩顶位移图知，墩顶位移逐渐减小。出现上述规律的原因主要是：随着系梁刚度的增大，桥梁整体刚度也增大，相对于墩顶位移的略微减小，系梁弯矩和墩底弯矩增加较多。

因此，实际工程中，在满足正常使用功能时，系梁应该选取抗弯刚度较小的结构形式。

7 结论

1) 设置墩系梁后，桥梁横桥向刚度增大，横桥向自振周期和横桥向位移均有所减小；随着墩系梁设置高度的增加，横桥向自振周期和横桥向位移均表现出先减小后增大的趋势；当墩系梁设置在墩柱中部时，横桥向自振周期和横桥向位移均最小。

2) 当墩系梁设置在墩柱中部时，系梁的地震剪力和地震弯矩最大，且墩顶和墩底的弯矩大小几乎相等，桥梁整体抗震性能最优。

3) 实际工程中，在桥梁结构满足正常使用功能的前提下，建议选取抗弯刚度较小的系梁。